Рухаючись у будь-якому провіднику, електричний струм передає йому якусь енергію, через що провідник нагрівається. Енергетична передача складає рівні молекул: внаслідок взаємодії електронів струму з іонами чи атомами провідника частина енергії залишається в останнього.
Теплова дія струму призводить до більш швидкому рухучастинок провідника. Тоді його зростає та трансформується в теплову.
Формула розрахунку та її елементи
Теплова дія струму може бути підтверджена різними дослідами, де робота струму переходить у внутрішню провідникову енергію. У цьому остання зростає. Потім провідник віддає її оточуючим тілам, тобто здійснюється теплопередача із нагріванням провідника.
Формула до розрахунку у разі наступна: A=U*I*t.
Кількість теплоти можна визначити через Q. Тоді Q=A або Q=U*I*t. Знаючи, що U=IR, виходить Q=I 2 *R*t, що було сформульовано у законі Джоуля-Ленца.
Закон теплової дії струму - закон Джоуля-Ленца
Провідник, де протікає вивчали багато вчених. Однак найпомітніших результатів вдалося досягти з Англії та Емілію Християновичу Ленцу з Росії. Обидва вчені працювали окремо та висновки за результатами експериментів робили незалежно один від одного.
Вони вивели закон, що дозволяє оцінити тепло, що отримується внаслідок дії струму на провідник. Його назвали законом Джоуля-Ленца.
Розглянемо практично теплове дію струму. Приклади візьмемо такі:
- Звичайну лампочку.
- Нагрівальні прилади.
- Запобіжник у квартирі.
- Електрична дуга.
Лампочка розжарювання
Теплова дія струму та відкриття закону сприяли розвитку електротехніки та збільшенню можливостей для використання електрики. Те, як використовуються результати досліджень, можна розглянути на прикладі звичайної лампочки розжарювання.
Вона влаштована таким чином, що всередині простягається нитка, виготовлена з вольфрамового дроту. Цей метал є тугоплавким із високим питомим опором. При проході через лампочку здійснюється теплова дія. електричного струму.
Енергія провідника трансформується на теплову, спіраль нагрівається і починає світитися. Нестача лампочки полягає у великих енергетичних втратах, оскільки лише за рахунок незначної частини енергії вона починає світитися. Основна частина просто нагрівається.
Щоб краще це зрозуміти, вводиться який демонструє ефективність роботи та перетворення на електроенергію. ККД та теплова дія струму використовуються в різних областях, так як є безліч пристроїв, виготовлених на підставі цього принципу. У більшою міроюце нагрівальні прилади, електричні плити, окропи та інші подібні апарати.
Влаштування обігрівальних приладів
Зазвичай, у конструкції всіх приладів для нагрівання є металева спіраль, у функцію якої і входить нагрівання. Якщо вода нагрівається, то спіраль встановлюється ізольовано, і в таких приладах передбачається дотримання балансу між енергією з мережі і тепловим обміном.
Перед вченими постійно ставиться завдання щодо зниження енергетичних втрат та пошуку кращих шляхівта найефективніших схем їх впровадження, щоб зменшити теплову дію струму. Використовується, наприклад, спосіб підвищення напруги під час, завдяки чому скорочується сила струму. Але такий спосіб, водночас, знижує безпеку функціонування ліній електропередач.
Іншим дослідницьким напрямом є вибір дротів. Адже саме від їх властивостей залежить втрати тепла та інші показники. Крім того, під час роботи нагрівальних приладів відбувається велике виділення енергії. Тому спіралі виготовляються із спеціально призначених для цього, здатних витримати високі навантаження, матеріалів.
Квартирні запобіжники
Щоб покращити захист та убезпечити електричні ланцюги, використовуються спеціальні запобіжники. У ролі головної частини виступає дріт із легкоплавкого металу. Вона проходить у пробці з порцеляни, має гвинтову нарізку та контакт у центрі. Корок вставляють у патрон, розташований у фарфоровій коробці.
Свинцевий дріт є частиною загального ланцюга. Якщо теплова дія електричного струму різко зросте, перетин провідника не витримає і він почне плавитися. Внаслідок цього мережа розімкнеться, і не станеться струмових перевантажень.
Електрична дуга
Електрична дуга є досить ефективним перетворювачем електричної енергії. Вона використовується при зварюванні металевих конструкцій, а також служить потужним світловим джерелом.
В основу пристрою входить таке. Беруть два вугільні стрижні, приєднують дроти і прикріплюють їх в ізолюючих утримувачах. Після цього стрижні підключають до джерела струму, що дає малу напругу, але розрахований на велику силу струму. Підключають реостат. Вугілля в міську мережу включати забороняється, оскільки це може спричинити пожежу. Якщо торкнутися одним вугіллям про інше, то можна помітити, як сильно вони розжаряться. Краще не дивитися на це полум'я, бо воно шкідливе для зору. Електричну дугу використовують у печах для плавки металу, а також у таких потужних освітлювальних приладах, як прожектори, кінопроектори та інше.
Досить важко уявити життя сучасної людинибез електрики. Воно стало одним із головних та найцінніших атрибутів сучасного існування. Фактично будь-яка людина, яка коли-небудь працювала з електрикою, знає, що при проходженні по проводах струму вони мають властивість нагріватися. Чому це залежить?
Що таке струм
Струм - це впорядкований рух заряджених частинок, які називаються електронами. І якщо струм протікає провідником, то в ньому починають відбуватися різні фізичні процеси, А саме стикаються електрони з молекулами.
Молекули бувають нейтральні або ті, що втратили свою негативно заряджену частинку. В результаті зіткнень або електрони можуть ставати нейтральними молекулами, або при цьому вибивається з іншої такої молекули електрон, що утворив позитивно заряджений іон. Під час цих зіткнень витрачається кінетична енергія заряджених частинок. Саме ця енергія стає теплом.
На теплове нагрівання провідника може впливати і опір. Наприклад, можна взяти певне тілоі тягнути його землею. Земля у разі - опір. Що ж із ним буде? Правильно, між тілом і поверхнею відбуватиметься сила тертя, яка, своєю чергою, нагріває тіло. Струм у цьому випадку поводиться так само.
Залежність
І, слухаючи все вищезгадане, вченим вдалося визначити цю залежність між силою струму, опором та кількістю тепла. Ця залежність називається закон Джоуля-Ленца, формула якого відома всім фізикам. У 1832—1833 роках російським фізиком Емілієм Ленцем виявили, що з тепловому вплив на металеві провідники їх провідність капітально змінювалася. Це фактично ускладнювало роботу вченого та заважало розраховувати електричні ланцюги.
Тоді ж молодому вченому спало на думку думка, що, можливо, існує якась залежність між силою струму і температурою провідника. Але як бути? На той час були відсутні точні електричні прилади, що дозволяють виміряти силу струму, опір, не було навіть джерела стабільного ЕРС. Ленца це зупинило, він вирішив провести досвід.
Досліди російського фізика
Суть цього досвіду була настільки проста, як і все геніальне, що може повторити навіть школяр. Вчений сконструював спеціальний приладякий служив для вимірювання кількості тепла, що виділяється провідником. Цим приладом виявилася звичайна судина, всередину якої Ленц заливав розчин розведеного спирту і ставив провідник - платиновий дріт, на який подавався електричний струм.
Після того, як прилад був створений, учений почав проводити досліди. Він вимірював точну кількість часу, необхідну для того, щоб спирт у посудині був нагрітий до 10 о С. На це було витрачено багато місяців, а й років. І в 1843 році, через 10 років, було опубліковано закон, суть якого полягала в тому, що нагрівання провідника струмом пропорційне квадрату службовця для нагрівання струму.
Джоуль та Ленц
Але не тут було! Виявляється, кілька років тому англійський фізикДжеймс Прескотт Джоуль проводив аналогічні досліди і вже опублікував свої спостереження. Як бути? Ленц не здався і уважно вивчив роботу Джоуля і дійшов висновку, що, нехай вони й проводили однакові експерименти, досліди Ленца були набагато точнішими. У зв'язку з чим наукова спільнотадодало до роботи Джоуля виправлення Ленца і цей закон став називатися як закон Джоуля-Ленца. Математичне формулювання закону виглядає таким чином:
Q = I * U * t, де:
- I – сила струму, А;
- U - напруга,;
- t – час, який струм витрачає на проходження провідника, с.
Сам закон звучить так: кількість теплової енергії, що виділяється в провіднику, через який тече електричний струм, дорівнює добутку сили струму, напруги і часу проходження струму через провідник.
Закон Ома
Однак чи завжди буде вірним це твердження? Можна спробувати вивести його, використовуючи закон Ома. Судячи з нього U = I * R, де R - опір Ом.
З огляду на закон Ома, можна підставити значення формулу Q = I*U*t = I 2 *R*t. З цього можна зробити висновок, що кількість теплоти залежить і від опору провідника. Також для закону Джоуля-Ленца буде справедливе і це твердження: I = Q = I * U * t.
Усі три формули будуть вірні, проте Q = I 2 *R*t буде вірною для будь-яких ситуацій. Дві інші також є правильними, проте за певних обставин.
Провідники
Тепер про провідників. Спочатку у своїх дослідах Джоуль та Ленц використовували платинові дроти, як і було згадано вище. У всіх схожих експериментах вчені на той час використовували переважно металеві провідники, оскільки вони були досить недорогими і стабільними. Не дивно, адже досі металеві провідники – основний тип провідників, у зв'язку з чим спочатку вважалося, що закон Джоуля-Ленца був застосовним лише до них. Проте трохи пізніше було виявлено, що цей закон застосовується не лише до металевих провідників. Він вірний будь-яким із них. Самі провідники класифікації можна розділити на:
- Металеві (мідь, залізо, срібло тощо). Головну роль них відіграють негативно заряджені частинки (електрони), які протікають по провіднику.
- Рідкі. У них за рух зарядів відповідають іони - це атоми, у яких або занадто багато, або занадто мало електронів.
- Газоподібні. На відміну від своїх колег, у таких провідниках струм визначається рухом як іонів, і електронів.
І незважаючи на відмінності, у будь-якому випадку зі збільшенням сили струму або опору збільшиться і кількість тепла.
Застосування закону іншими фізиками
Відкриття закону Джоуля-Ленца обіцяло величезні перспективи. Адже, по суті, цей закон дозволив створювати своєрідні різні електронагрівальні прилади та елементи. Наприклад, трохи згодом після відкриття закону вчені помітили, що при нагріванні певних елементів вони починають світитися. Вони захотіли поекспериментувати з ними, використовуючи різні провідники, і в 1874 російський інженер Олександр Миколайович Лодигін винайшов сучасну лампу розжарювання, нитка якої була зроблена з вольфраму.
Застосовується закон Джоуля-Ленца й у електротехніці - наприклад, під час створення плавких запобіжників. Плавкий запобіжник - це якийсь елемент електричний ланцюга, конструкція якого зроблена так, що при протіканні струму вище допустимого значення (наприклад, при короткому замиканні) він перегрівається, плавиться і розмикає силовий ланцюг. Навіть звичайний електричний чайник або мікрохвильова піч, яка є фактично у кожного, працює згідно із цим законом.
Висновок
Досить важко визначити внесок цих вчених у сучасну електронікуі електротехніку, але одне можна сказати точно - поява закону Джоуля-Ленца перевернула уявлення людей про електрику і дала більш конкретні знання про те, що таке електричне поле у провіднику зі струмом.
Без сумніву, відкритий цими великими вченими-фізиками закон став визначальним ступенем у всій науці, саме завдяки цьому відкриття згодом було здійснено інші більш-менш грандіозні досягнення інших вчених. Вся наука є тісним переплетенням відкриттів, якихось дозволених і недозволених завдань. Розглянутий у цій статті закон певним чином вплинув на багато досліджень і залишив незабутній і цілком виразний слід у науці.
Зміст:Знаменитий російський фізик Ленц і англійський фізик Джоуль, проводячи досліди з вивчення теплових процесів електричного струму, незалежно друг від друга вивели закон Джоуля-Ленца. Цей законвідображає взаємозв'язок кількості теплоти, що виділяється у провіднику, та електричного струму, що проходить по цьому провіднику протягом певного періоду часу.
Властивості електричного струму
Коли електричний струм проходить через металевий провідник, електрони постійно стикаються з різними сторонніми частинками. Це можуть бути звичайні нейтральні молекули чи молекули, що втратили електрони. Електрон у процесі руху може відщепити від нейтральної молекули ще один електрон. В результаті, його кінетична енергіягубиться, а замість молекули відбувається утворення позитивного іона. В інших випадках електрон, навпаки, з'єднається з позитивним іоном та утворить нейтральну молекулу.
У процесі зіткнень електронів і молекул відбувається витрата енергії, що надалі перетворюється на тепло. Витрати певної кількості енергії пов'язані з усіма рухами, під час яких доводиться долати опір. У цей час відбувається перетворення роботи, витраченої на подолання опору тертя, на теплову енергію.
Закон джоуля Ленца формула та визначення
Відповідно до закону джоуля Ленца, електричний струм, що проходить провідником, супроводжується кількістю теплоти, прямо пропорційною квадрату струму і опору, а також часу течії цього струму провідником.
У вигляді формули закон Джоуля-Ленца виражається в такий спосіб: Q = I 2 Rt, у якій Q відображає кількість виділеної теплоти, I - , R - опір провідника, t - період часу. Величина "к" являє собою тепловий еквівалент роботи і застосовується в тих випадках, коли кількість теплоти вимірюється в калоріях, сила струму - опір - в Омах, а час - в секундах. Чисельне значеннявеличини до становить 0,24, що відповідає струму 1 ампер, який при опорі провідника в 1 Ом, виділяє протягом 1 секунди кількість теплоти, що дорівнює 0,24 ккал. Тому для розрахунку кількості виділеної теплоти в калоріях застосовується формула Q = 0,24I 2 Rt.
При використанні системи одиниць СІ вимірювання кількості теплоти проводиться в джоулях, тому величина "к", стосовно закону Джоуля-Ленца, дорівнюватиме 1, а формула виглядатиме: Q = I 2 Rt. Відповідно до I = U/R. Якщо це значення сили струму підставити в основну формулу, вона набуде наступний вигляд: Q = (U 2 / R) t.
Основна формула Q = I 2 Rt дуже зручна для використання при розрахунках кількості теплоти, що виділяється у разі послідовного з'єднання. Сила струму у всіх провідниках буде однаковою. При послідовному з'єднанні відразу кількох провідників кожен з них виділить стільки теплоти, яке буде пропорційно опору провідника. Якщо послідовно з'єднати три однакові тяганини з міді, заліза та нікеліну, то максимальна кількістьтеплоти буде виділено останньою. Це пов'язано з найбільшим питомим опором нікеліну і сильнішим нагріванням цієї тяганини.
При паралельному з'єднанніцих же провідників значення електричного струму в кожному з них буде різним, а напруга на кінцях - однаковим. І тут для розрахунків більше підійде формула Q = (U 2 /R)t. Кількість теплоти, що виділяється провідником, буде обернено пропорційно його провідності. Таким чином, закон Джоуля – Ленца широко використовується для розрахунків установок електричного освітлення, різних опалювальних та нагрівальних приладів, а також інших пристроїв, пов'язаних з перетворенням електричної енергії на теплову.
Закон Джоуля-Ленца. Робота та потужність електричного струму
Закон Джоуля-Ленца визначає кількість теплоти, що виділяється у провіднику, що має опір за час t, при проходженні через нього електричного струму.
Q = a * I * 2R * t, де
Q - кількість теплоти, що виділяється (в Джоулях)
a - коефіцієнт пропорційності
I - сила струму (в Амперах)
R - Опір провідника (в Омах)
t - Час проходження (у секундах)
Закон Джоуля-Ленца пояснює, що електричний струм – це заряд, який переміщується під дією електричного поля. При цьому поле здійснює роботу, а струм має потужність і виділяється енергія. Коли ця енергія проходить по нерухомому металевому провіднику, вона стає теплової, оскільки спрямована на нагрівання провідника.
У диференціальній формі закон Джоуля-Ленца виражається як об'ємна щільністьтеплової потужності струму в провіднику дорівнюватиме добутку питомої електричної провідності на квадрат напруженості електричного поля.
Застосування закону Джоуля-Ленца
Лампи розжарювання були придумані 1873 року російським інженером Лодигіним. У лампах розжарювання, як і в електронагрівальних приладах, застосовується закон Джоуля-Ленца. Вони використовують нагрівальний елемент, який є провідником з високим опором. За рахунок цього елемента можна досягти локалізованого виділення тепла на ділянці. Виділення тепла буде з'являтися у разі підвищення опору, збільшення довжини провідника, вибором певного сплаву.Однією з сфер застосування закону Джоуля-Ленца є зниження втрат енергії.
Теплова дія сили струму призводить до втрат енергії. При передачі електроенергії, потужність, що передається, лінійно залежить від напруги і сили струму, а сила нагріву залежить від сили струму квадратично, тому якщо підвищувати напругу, при цьому знижуючи силу струму перед подачею електроенергії, то це буде вигідніше. Але підвищення напруги призводить до зниження електробезпеки. Для підвищення рівня електробезпеки підвищують опір навантаження відповідно до підвищення напруги в мережі.
Також закон Джоуля-Ленца впливає на вибір дротів для ланцюгів. При неправильному підборі проводів можливе сильне нагрівання провідника, а також його. Це відбувається коли сила струму перевищує гранично допустимі значенняі виділяється дуже багато енергії. При правильному підборі проводів варто слідувати нормативним документам.
Джерела:
Між силою струму та напругою існує прямо пропорційна залежність, описана законом Ома. Цей закон визначає зв'язок сили струму, напруги та опору на ділянці електричного ланцюга.
Інструкція
Згадайте, струм та напруга.
- Електричний струм – це впорядкований перебіг заряджених частинок (електронів). Для кількісного визначеннявикористовується величина I, яка називається силою струму.
- Напруга U – це різниця потенціалів на кінцях ділянки електричного кола. Саме ця відмінність змушує рухатися електрони, подібно до потоку рідини.
Сила струму вимірюється у амперах. В електричних ланцюгах силу струму приладом визначають амперметр. Одиницею напруги є виміряти напругу в ланцюгу можна за допомогою вольтметра. Зберіть найпростішу електричний ланцюгз джерела струму, резистора, амперметра та вольтметра.
При замиканні ланцюга та проходженні струму запишіть показання приладів. Змініть напругу на кінцях опору. Ви побачите, що показання амперметра зростатимуть зі збільшенням напруги та навпаки. Такий досвід демонструє прямо пропорційну залежністьміж силою струму та напругою.
Розглянемо Закон Джоуля-Ленца та його застосування.
При проходженні електричного струму провідником він нагрівається. Це відбувається тому, що вільні електрони, що переміщуються під дією електричного поля, в металах та іони в розчинах електролітів стикаються з молекулами або атомами провідників і передають їм свою енергію. Таким чином, при виконанні струмом роботи збільшується внутрішня енергіяпровідника , у ньому виділяється деяка кількість теплоти, рівну роботіструму, і провідник нагрівається: Q = А або Q = IUt .
Враховуючи, що U = IR , в результаті отримуємо формулу:
Q = I 2 Rt , де
Q
- кількість теплоти, що виділяється (у Джоулях)
I
- Сила струму (в Амперах)
R
- Опір провідника (в Омах)
t
- Час проходження (у секундах)
Закон Джоуля-Ленца : кількість теплоти, що виділяється провідником зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника та часу проходження струму.
Де застосовується закон Джоуля-Ленца?
1. Наприклад, в лампах розжарювання і в електронагрівальні прилади застосовується закон Джоуля-Ленца. Вони використовують нагрівальний елемент, який є провідником з високим опором. За рахунок цього елемента можна досягти локалізованого виділення тепла на певній ділянці. Виділення тепла буде з'являтися у разі підвищення опору, збільшення довжини провідника, вибором певного сплаву.
2. Однією з сфер застосування закону Джоуля-Ленца є зниження втрат енергії . Теплова дія сили струму призводить до втрат енергії. При передачі електроенергії, потужність, що передається, лінійно залежить від напруги і сили струму, а сила нагріву залежить від сили струму квадратично, тому якщо підвищувати напругу, при цьому знижуючи силу струму перед подачею електроенергії, то це буде вигідніше. Але підвищення напруги призводить до зниження електробезпеки. Для підвищення рівня електробезпеки підвищують опір навантаження відповідно до підвищення напруги в мережі.
3. Також закон Джоуля-Ленца впливає на вибір дротів для ланцюгів . Тому що при неправильному підборі проводів можливе сильне нагрівання провідника, а також його загоряння. Це відбувається, коли сила струму перевищує гранично допустимі значення і виділяється занадто багато енергії.